玻璃陨石研究简述
转载自 知乎网 Eraz大无为者 20200226
玻璃陨石是地外物体剧烈撞击地球时，地表靶物质熔融后快速凝结的天然玻璃，因此玻璃陨石并不是真正意义上的陨石，但是，对玻璃陨石的研究也至关重要。人们对玻璃陨石的研究从最初外形的描述到化学组成方面，然后再到其分布范围和形成方式。近年来，人们开始探讨玻璃陨石事件与其他地质事件的内在关系，尤其是对地球古气候的影响，并试图得出一个统一的成因模式。以下根据历年的研究，对玻璃陨石的分布、外形特征、成分特征、成因等研究状况，所采用的研究方法，玻璃陨石未来发展前景及研究过程中所存在的问题进行阐述。
1 研究概况
1.1 玻璃陨石简介
玻璃陨石是地外物体剧烈撞击地球时，地表靶物质熔融后快速凝结的天然玻璃，因其常于雷雨天后被雨水从泥土中冲刷出来，所以在我国有些地方被称为“雷公墨”。20世纪初，奥地利地质学家修斯 (Suess) 将这种玻璃质岩石取名Tektite[1]，也称熔融石，由于这种天然玻璃被认为是地外成因的，也曾被称为“Glasys Mete-orite”，“玻璃陨石”这一中文译名即源于此，但其实玻璃陨石并不是陨石。地表发现的玻璃陨石多呈块状，棕黑色到浅绿色，一般为厘米级大小，表面多具空气动力学的熔蚀刻痕。
1.2 国内研究现状
我国有关于玻璃陨石的最古老的文字记载，但我国学者对玻璃陨石的科学研究起步较晚。1963年，李达明首次对海南岛和雷州半岛的玻璃陨石进行了实地考察和样品收集[2]。但系统、全面的科学研究则始自70年代后期。
1976年，欧阳自远[3]对海南岛玻璃陨石进行了微量元素分析，得出了我国第一批有价值的分析数据，并把海南岛玻璃陨石划归澳大利亚——东南亚撒布区，解决了海南岛（雷州半岛）玻璃陨石的归属等基本问题。
我国对玻璃陨石最为系统、全面的研究和论述见于欧阳自远所著《天体化学》[4]，它以详实的资料和数据，综合论述了玻璃陨石的分布、岩石学特征、化学成分、同位素组成、形成年龄及成因论据。袁宝印和许汉卿对海南岛和琼州地区的玻璃陨石进行过化学成分测定和成因的讨论[5,6]。李斌对世界各地的玻璃陨石进行了年代学、化学组成和成因的研究，分析样品涵盖了已发现的所有玻璃陨石群,尤其是对9个中国玻璃陨石的探针分析、中子活化和裂变径迹测年工作, 取得了中国玻璃陨石系统的分析数据,是迄今对中国玻璃陨石最全面的研究。
此外，我国学者对玻璃陨石的形成条件和鉴定特征做了一些富有特色的研究工作，并提出了一些富有创建性的成因观点。林文祝和欧阳自远根据熔体在核爆炸产生的非平衡条件下的化学成分特性，提出玻璃陨石是由靶岩各组成岩石混合熔融而成，证实了核爆炸玻璃与玻璃陨石在形成方式上的一致性，并认为澳亚玻璃陨石群存在着4个不同的源岩和源坑[7]。林文祝等人利用红外光谱法，对火山玻璃、核爆炸玻璃和玻璃陨石的水含量进行了对比研究，提出了玻璃陨石的特征谱线和鉴定特征[8]。林文祝利用热释光技术对火山玻璃、核爆炸玻璃和玻璃陨石进行了对比研究，指出冲击玻璃与火山玻璃热历史的截然区别。李春来根据玻璃陨石的年龄、分布、成分、同位素组成和空气动力学特征等，探讨了玻璃陨石的成因和源区特征，提出彗星撞击是玻璃陨石形成的最有可能的方式[9]。
微玻璃陨石是在深海沉积物中发现的,陆相沉积物由于沉积的不连续性和沉积速率过大，不适合于微玻璃陨石的收集和研究工作。黄土是一种风成沉积物，在我国发育良好。由于黄土堆积物沉积连续性好、岩性均一，易于连续采样和分离，我国学者在黄土中进行了一系列微玻璃陨石的收集和研究工作。袁宝印等人报道了黄土底部层位微玻璃陨石的证据[10]。李春来等在我国黄土地层中发现了澳亚群微玻璃陨石，并与深海沉积物中微玻璃陨石进行了对比研究，确定了黄土中微玻璃陨石赋存层位和沉降年龄，详细研究了其物理性质、化学成分和成因类型，探讨了微玻璃陨石的成因和源区特征，扩展了澳亚群微玻璃陨石的分布范围[11]。彭汉昌等人报道了深海沉积物约230Ma层位的微玻璃陨石，并讨论了玻璃陨石事件与地磁事件之间的关系[12]。
1.3 国外研究现状
Weeks等人用电子顺磁共振谱（EMR）对玻璃陨石进行了测定，结果显示出玻璃陨石中的铁主要以二价铁（Fe2+）存在，三价铁（Fe3+）含量很低[12-13]。另外它们的实验结果还表明玻璃陨石是在极低的氧逸度环境下，经高温熔融后极速 淬火而形成的，且利比亚沙漠玻璃和玻璃陨石的熔融条件是不同的[13]。
Gilchrist等人用 红外光谱仪成功地测定了玻璃陨石中的水含量，发现玻璃陨石含水量为0.012%，且水的分布不均一，这一数值远远低于地球的黑耀岩，而又远远高于月岩中水的含量（几乎为0）[14,15]。
Klein用Muong Nong[1]型层状玻璃陨石进行了流体和结晶行为方面的研究，发现在1320℃ 温度下，玻璃陨石的粘度为2×104 P，在900 ~1300℃ 范围内，玻璃陨石流体没有任何结晶行为，但当将玻璃陨石与合成玻璃样品一起加热时，在此温度范围内，发现方石英的析出，从两相结合面向玻璃陨石相生长。对Muong Nong玻璃陨石中SiO2 含量低的微玻璃陨石组合样品的研究表明，由于粘度系数的限制，这种成分不能形成像原来Muong Nong玻璃陨石大小粒径的玻璃。结晶行为和热流计算表明，具Muong Nong玻璃成分的玻璃可以形成比现有玻璃陨 石还大的个体；微玻璃陨石的形成需要极高的冷却速率[13]。
Kleinmann对玻璃陨石中磁性球粒进行了研究，发现在玻璃陨石中存在3种磁性球粒：（1）玻璃基质中以纯铁为晶核的磁铁矿骸晶；（2）与方铁矿交互生长的磁铁矿；（3）含有细粒磁铁矿骸晶和与方铁矿交互生长的自形磁铁矿的单一玻璃球。这些现象表明玻璃陨石经历了高温熔体的快速冷却过程[16]。
Muller和 Morris的理论认为，地球磁场会受到由于撞击作用产生的气候突然变化的影响，当撞击作用发生时，大量的尘埃抛向大气圈，会使太阳辐射量降低，从而引起地球的突然变冷气温的下降，又会使大量海水突然大量沉降于极地地区，大大地增加极地冰量，从而突然改变地球的自转速率，进而干扰地磁场的生成，致使地磁发生倒转。这一理论尚需进一步证实和完善[17]。
2 玻璃陨石的分布、外形、组成、成因特征
2.1玻璃陨石的分布
图2.1 玻璃陨石散布区示意图
科学家经过一个多世纪的研究，在综合考虑玻璃陨石的化学成分、同位素组成、形成年龄和分布范围的基础上，将全球玻璃陨石的分布划分为4个散布区（如图2.1）：
（1）北美散布区：从墨西哥湾、加勒比海往西进入太平洋、印度洋，呈环带状绕地球半周。
（2）捷克散布区：分布面积较小，主要分散在波希米亚、摩拉维亚等地。
（3）西非散布区：分布于非洲西部象牙海岸一带，又称象牙海岸散布区，在沿象牙海岸的大西洋沉积物中也找到了相应的微玻璃陨石。
（4）亚澳散布区：分布于澳大利亚、菲律宾、印度 尼西亚、印度支那、泰国、中国的海南岛、雷州半岛、 广东、广西、福建、台湾等地以及太平洋和印度洋部分海域。相应的微玻璃陨石在海洋沉积物中也有发现，且分布面积非常广，从印度洋的马达加斯加附近到太平洋日本南部均有发现，约占地球表面的10%。
另外，在20世纪八十年代，广西也陆续发现了雷公墨，主要分布于博白、合浦、钦州、崇左、靖西、田东、田阳、百色等地，以博白县和百色盆地最为丰富。在北海市涠州岛和斜阳岛的玄武岩台地也有分布[18]。
2.2玻璃陨石的外形特征
图2.2 亚澳散布区玻璃陨石的分类重熔玻璃陨石照片 据文献[22]，微玻璃陨石照片引自文献[23].
玻璃陨石的外形特征有很多，以亚澳散布区为例，该区的玻璃陨石依据形成过程的不同可以分为4类（如图2.2）：
（1）芒农型（MN 型）：外形不规则，具清楚的薄层状构造，层理一般厚为0.5 ~ 3 mm。一般位于陨石坑附近。
（2）溅射型（SF 型）：外形有球状、椭球状、长棒状等形态，均为熔融物质在溅射状态下由动力以及液体表面张力共同作用形成的不同形态。
（3）重熔型（ASF 型）：大小 1 ~ 2 cm，呈碟状，边缘有在空气动力影响下形成的环形构造，在凸面具有螺旋纹。推测为熔融物质抛射到高空后，在下降过程中形成的。
（4）微玻陨石：外形球状，大小为 1 mm 或更小。
其中，大多数玻璃陨石属SF类型，即溅射型。它们在陨击作用下被溅射至空中然后又落下，故民间成为“雷公墨”，通常为墨黑色、漆黑色，有些边部因较薄而呈半透明的茶色。玻璃光泽，贝壳状断口，全玻璃质，即使在电镜下放大数千倍也表现出非晶质性和断口特征。它们的个体大小不一，重量不等，一般为几克至几十克，个别达 100 克以上。它们的外形多样，将保存完整的按特定形状，大致可归纳为5种（如图2.3）：
图2.3 SF 型玻璃陨石的形态特征
（1）球状：形态接近于球形，内部往往为空心。
（2）椭球状：长的球形，往往一端较小，一端较大。长轴大于短轴的二倍，垂直长轴的断面为圆形。
（3）长棒状：截面圆形，截面直径一般小于1 cm。
（4）哑铃状：两端稍有膨大的长棒状。
（5）水滴状：像拉长的水滴，长轴大于短轴的三 倍以上，垂直长轴的断面为圆形。
除上述具特定形状外，常见外形还有厚 3 ~ 5 mm 的不规则弯曲薄片，推测是较大的玻璃陨石破碎后的产物，它们原来的形状已较难推断。
玻璃陨石的内曲面有流动条纹构造，外曲面有不规则的凹坑及沟槽，这些构造指示溅起和降落的特征。凹坑构造是玻璃体急剧冷缩形成的弧形裂开脱落后留下的痕迹，而纹层构造则是玻璃体在完全固结前呈塑性状态时经过扭曲、拉撕和柔皱形成的丝状物聚集而成。由于玻璃的均一性，仅在风化的表面隐约可见。
2.3 玻璃陨石的化学组成特征
2.3.1 澳—亚玻璃陨石的化学特征
在4个玻璃陨石群中，以澳-亚玻璃陨石获得的分析数据最多，研究程度最为详尽，并提供了最多的化学演化和成因信息。澳亚玻璃陨石的化学成分变化是有规律的，除普通型（Normal）外，据化学成分还可划分出几个特殊的化学类型：
（1）普通型（Normal）：为主要化学类型；
（2）高Ca型：CaO含量可达10%，主要分布在澳大利亚Tasmania西北到Henbury及菲律宾Luzon；
（3）高Na型：MgO含量可高达8%，且与SiO2含量呈负相关关系，主要分布在澳大利亚中部，印度尼西亚和菲律宾；
（4）高Na/K型：其化学成分以显著高的Na/K比值区别于其他玻璃陨石，因为一般玻璃陨石中，Na/K<1，而该群Na/K>1；
（5）高Al型：Al2O3含量>15%，主要分布在澳大利亚、菲律宾和象牙海岸。
2.3.2 北美玻璃陨石的化学特征
北美玻璃陨石分为分布在得克萨斯州的贝迪亚斯石（Bediasiets）和佐治亚州的佐治亚石（Georgia tektites），其中佐治亚玻璃陨石含SiO2较高，而Al2O3和FeO则明显低于贝迪亚斯石。莫尔达维石（Moldavites）的化学成分表明，它至少由两种组分混合而成：泥质岩石（如页岩）和钙质岩石。象牙海岸群玻璃陨石的化学成分数据相对较少，其中，最明显的化学成分差别是，象牙海岸玻璃陨石的Na2O/K2O值接近1，而其他群的Na2O/K2O值<1（如表2.1）。
表2.1 北美群、莫尔达维石群和象牙海岸群玻璃陨石的化学成分（重量百分比）
2.3.3玻璃陨石与火山玻璃的化学特征的比较
玻璃陨石在外观上与火山玻璃不易区分，在化学成分范围上也有重叠，但在某些特征上玻璃陨石明显不同于火山玻璃，例如玻璃陨石几乎不含水，而火山玻璃的水含量较高；玻璃陨石中的 Fe 主要以 Fe2+形式存在，Fe3+含量很低，Fe3+/ Fe2+比值为0.06～0.26，而火山玻璃中Fe则主要以Fe3+形式存在, Fe3+/Fe2+比值远大于1[19]。
亚澳玻璃陨石主要成分是 SiO2、其次为 Al2O3，基本属于低 SiO2、高 MgO 型玻璃陨石。Glass 等人通过对大量澳大利亚玻璃陨石研究后指出，68%的 SiO2 含量值通常为该降落区玻璃陨石SiO2含量的最低界限[20]。
表2.2 玻璃陨石的氢、氧、铅同位素特征及其与地球、月球物质的对比
许多科学家曾对玻璃陨石的H、O 和 Pb 同位素作过研究，认为玻璃陨石的化学成分与地球物质相似，而与月球物质有截然的差别（如表2.2），因此认为玻璃陨石的母源物质应是地球物质。
2.4 玻璃陨石的成因
图2.4 火流星撞击过程示意图 左半边：撞击体侵彻瞬态应力分布 (instantaneous pressure distribution )； 右半边：爆炸力学分区和挖掘成坑 (mechanical divide of excavation flow field )
目前，大多数学者均认为玻璃陨石是火流星超速（大于10 km/s）撞击地球 的溅射物，即火流星撞击成因模式（如图2.4）。人们发现玻璃陨石的源岩并非地外物质，而与地表分布最广的长英质岩石很相似，其形成机制与爆炸成坑也较为类似。但是这仍然存在许多疑问：全球五个玻璃陨石撒布区（加上海地微玻璃陨石群）中，中欧和象牙海岸击变玻璃分别来自里斯坑（直径24 km，位于德国）和波斯索脱维坑 (直径10.5km，位于加纳)。然而分布面积最大的北美和澳亚群玻璃陨石一直没有找到相应的坑源。一个直径10 km的撞击坑可以产生109 吨的玻璃熔体，但是抛射物的速度不可能达到那么大分布区域范围，尤其是澳亚群。迄今全球已发现了150个撞击坑（新生代约60个）除少数几个撞击坑如哈萨克的扎曼什坑（直径为14.4km）外，在坑周围没有发现大量的撞击玻璃，仅含有多杂质碎屑岩的熔混合物——撞击碎屑岩。
大量的爆炸模拟试验已证明，早期喷射物的出射角大于60°且高速度喷射 的比例也很低，因此，在撞击坑的坑底和周围应分布大量熔融体玻璃，即玻璃陨石和微玻璃陨石，但事实上并不存在这一现象。根据人们的推断，在爆炸气化、熔融喷出早期，坑中空腔内尚处在极高温环境里，压力可达55GPa以上，已熔 融的岩石大部分又被气化形成另一种凝聚态物质，仅小部分熔融体在高温湍流的作用下与被击碎的岩块和岩屑混合粘合形成击变岩岩席分布在坑周围，所以，火流星撞击方式不利于玻璃物质的形成。另外，塔上核爆炸试验，在地面上形成一层熔融玻璃“锅巴”，但不成坑。这说明彗星在空中爆炸也可以形成玻璃，不形成坑。
3 研究方法及技术手段
3.1 元素特征的研究
对（微）玻璃陨石进行微量元素分析时，其样品有两种组合方法：（1）用多颗微玻璃陨石组成一个组合样品作仪器中子活化（INAA）分析；（2）用单颗微玻璃陨石作中子活化（INAA）分析。有限的分析数据（参考表1.2）表明，组合样品的微量元素含量与玻璃陨石相近，而单颗粒微玻璃陨石的微量元素含量有很大的离散性，与玻璃陨石相差较大，甚至存在Eu正异常。这些数据的离散性，可能说明其母源物质中难熔组分较富集，甚至可能就是单一矿物质点（如长石类矿物）的熔融物。
图3.1 玻璃陨石、月岩、地球物质的稀土分配模式图
对玻璃陨石进行微量元素研究时，需要用到稀土（REE）分配模式的模型，因为REE含量及配分模式可以为探讨其母源物质类型提供最强有力的证据。研究表明，玻璃陨石富含轻稀土，且多呈Eu 负异常（象牙海岸群）除外。从图3.1 中可看出，玻璃陨石REE分布模式接近地壳和地球岩石，而与月海玄武岩截然不同，这一结果说明玻璃陨石是地球物质的熔融物，而不赞成玻璃陨石的月球成因观点。作为地表广布的岩石类型，尽管花岗岩的REE配分模式与玻璃陨石相似，但其REE含量，尤其是轻稀土元素含量高于（澳亚群）玻璃陨石；流纹岩的稀土含量低于玻璃陨石；只有地表沉积岩的REE含量和分布模式均与玻璃陨石相近（页岩+粘土）的REE模式类似于贝迪亚斯石（Bediasites）亚杂砂岩的REE含量和分布模式与澳亚群玻璃陨石相似，因此，REE特征支持了玻璃陨石的母源物质是地球沉积岩。
3.2 玻璃陨石年龄的研究
表3.1 不同测试方法下的玻璃陨石年龄
对玻璃陨石的形成年龄一般使用K-Ar法和裂变径迹法。但是不同的测龄方法之间存在一定的误差。如表3.1，可以看出澳亚群玻璃陨石的数据分散性很大，这可能有两种原因：（1）这些年龄数据可能反映的是不同测年方法之间及其本身的分析误差；（2）这些年龄数据可能确实反映了不同地域玻璃陨石形成年龄的差异，也就是说澳亚群不同地域的玻璃陨石是年龄相近的不同撞击事件所形成的。
微玻璃陨石也属于玻璃陨石类，但是却常呈球形的玻璃珠，直径小于1mm，成分更偏基性（贫硅）。常见于深海沉积物中。由于微玻璃陨石样品有限和粒度很小，至今无人对其进行过同位素年龄和裂变径迹年龄的测定。微玻璃陨石的形成年龄，是根据其在地层中赋存层位的古地磁年龄和沉积物的沉积速率求得的。
象牙海岸微玻璃陨石富集层与古地磁哈拉米洛（Jaramillo）事件相当，其沉降年龄为0.9Ma，与裂变径迹和K—Ar法测得的年龄（1.1Ma）相当；澳亚群微玻璃陨石的赋存年龄与B/M（Brunhes/Matuyama）界线相当，沉降年龄为约0.73Ma，亦与K-Ar法和裂变径迹年龄相当。
北美群微玻璃陨石在赤道太平洋、墨西哥湾和大西洋西部的许多钻孔中均有发现，某些产地微玻璃陨石的赋存层位常与Ir异常伴生。在这些深海钻孔中，至少有3个微玻璃陨石层，且各层微球粒的化学成分存在一定的差异。根据古地磁年龄和沉积速率推算，其沉降年龄为32~38Ma。
以上论述表明，沉积物中微玻璃陨石地层测年的时间分辨率比放射性方法和裂变径迹方法高，而且沉积物可以记录撞击事件发生时的许多细节，这对认识玻璃陨石的成因有很大的启示。
4 存在问题及前景分析
4.1 存在问题
在玻璃球粒陨石研究过程中存在的主要问题为玻璃陨石成因的问题，这些问题主要包括以下几个方面：
（1）撞击体类型：可能是彗星，可能是小流星体，也可能是其他星体，但是具体撞击体类型不知。
（2）现今发现的玻璃陨石最老的年龄只有34～36 Ma，没有发现比之更老的玻璃陨石；另外在古老的撞击事件中并没有留下太多玻璃陨石。
（3）人们通过玻璃陨石与撞击熔岩、稀土元素、形成年龄及某些同位素的对比研究，确实发现了玻璃陨石与撞击坑存在成因上的联系，但除此之外没有更进一步的证据。因此，玻璃陨石的源坑和源区特征一直未有定论。
（4）地球表面分布着约160多个撞击坑，直径从几米到上百公里，成坑年龄从1Ma～2Ga，撞击靶岩包括地表的各种土壤岩石类型，但除Zhamanshin和通古斯彗星撞击外，其余撞击坑都没有发现与之有关的、与玻璃陨石成分相似的、分布较广的玻璃物质。这一现象说明玻璃陨石形成方式较特殊，可能受撞击方式和靶岩类型（成分）的制约。
（5）产生玻璃陨石的撞击坑和其母源物质成分，是长期以来最令人困感的问题，也是解决玻璃陨石成因的关键因素。但对于（微）玻璃陨石分布最广、研究程度最深的北美群和澳亚群的源坑的研究却一直毫无线索。
4.2 前景分析
人类对玻璃陨石的认识可追溯到几万年以前。远古时期，人类用玻璃陨石这种天然玻璃作为武器、工具、饰物、护身符等。在近代的欧洲，珠宝商人曾将之作为宝石而广泛收集。我国唐朝的刘询在其所著的《玄岭表录异》一书中就有对“雷公墨”（俗称玻璃陨石）的描述[24]。这是公认的历史上有关玻璃陨石的最早的文字记载。玻璃陨石真正的科学研究始自本世纪40年代，Barnes对玻璃陨石进行了系统的收集和分类之后，对玻璃陨石作了散落群的划分、化学成分的分析和成因的讨论[21]。
因为人们对玻璃陨石的系统性研究阶段起晚，所以有关玻璃陨石未来的研究分析具有很大的拓展性。对玻璃陨石的研究可用于以下方面：
（1）可以通过玻璃陨石事件研究古气候、环境、生物的变化。当撞击作用发生时，大量的尘埃抛向大气圈，会使太阳辐射量降低，从而引起地球的突然变冷气温的下降，又会使大量海水突然大量沉降于极地地区，大大地增加极地冰量，从而使气候环境发生变化，甚至使生物灭绝。地层中常显示铱（Ir）、镍（Ni）、钴（Co）等指示地外成因元素的异常。生物灭绝则在同时或稍后的时间。将玻璃陨石层相与这些地层对比，可为生物大灭绝提供更多证据。
（2）可以通过玻璃陨石事件研究地球磁场的变化。星体撞击事件可以使地球表面温度降低，当极地冰量增加时，地球的自转速率会变小，进而干扰地磁场的生成，致使地磁发生倒转。但是这一理论尚需进一步证实和完善。
（3）可以通过玻璃陨石事件研究对地质构造产生的重要影响。陨石撞击作用能诱发板块运动。因为根据研究，始新世末期的陨击作用促使太平洋板块运动方向发生改变，这次陨星撞击使太平洋板块的运动方向由NNW突然变为NWW。
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